I robot del futuro saranno ‘morbidi’ e flessibili

Kohei Nakajima, dell'Università di Zurigo, presenta uno dei suoi tentacoli-robot in occasione di un workshop svoltosi in luglio al Monte Verità, in Ticino. swissinfo.ch

Uno dei campi di ricerca emergenti della robotica si concentra su automi fabbricati con componenti soffici, molto più flessibili, adattabili e innocui dei classici robot di metallo e plastica rigida. La loro fabbricazione comporta però numerosi problemi, ai quali stanno cercando di dare una risposta anche le università svizzere.

I robot sono sempre più presenti nella nostra vita quotidiana. A lungo confinati nei capannoni delle fabbriche, intenti a installare con le loro braccia articolate componenti di automobili, i robot sono ormai entrati nelle abitazioni private, ad esempio sotto forma di tosaerba o aspirapolvere. Oppure nelle camere dei bambini, dove si possono facilmente trovare dinosauri o cani robot.

Tutti questi robot hanno una caratteristica comune: il loro corpo è rigido, con un involucro di metallo o di plastica dura. Questa struttura li rende robusti, ma nello stesso tempo assai poco flessibili. I robot possono lavorare con molta precisione e non si stancano mai. Però funzionano solo in un ambiente ben definito e assai circoscritto.

Inoltre, i classici robot ‘rigidi’ possono anche essere pericolosi per l’uomo. I robot industriali devono essere installati in gabbie protettive, affinché le persone che lavorano non si avvicinino troppo e per sbaglio vengano colpite dalle braccia di metallo che si muovono a tutta velocità. Oppure, durante le operazioni, i chirurghi devono utilizzare con una certa riserva i robot, poiché vi è il rischio di ferire in modo leggero i pazienti.

Transformers da salone

Sedersi su un robot? Forse è prospettiva che non piace a tutti. È però il progetto su cui sta lavorando Massimo Vespignani. In futuro, potremmo ad esempio rilassarci su un robot divano e, prima di passare a tavola, ordinargli di trasformarsi in sedia. Il collaboratore scientifico del laboratorio di biorobotica del Politecnico federale di Losanna sviluppa dei robot modulari – dei Roombots – che potrebbero permettere di trasformare questa utopia in realtà.

Un singolo Roombot è composto di due sfere della grandezza di un pallone di pallamano. Le sfere sono collegate tra di loro e ognuna di esse ha un motore e un meccanismo per spostarsi. Ogni modulo può essere assemblato assieme agli altri in differenti posizioni e di nuovo separato. In questo modo, i Roombots possono assumere forme diverse e adattate a bisogni differenti.

Più Roombots sono collegati assieme, più la forma è complicata e più difficile è il movimento. «Un singolo modulo può spostarsi assai facilmente, quasi come un’auto telecomandata. Se invece sono assemblati diversi moduli, non è sempre possibile prevedere come questo edificio complesso reagirà a un ordine di movimento. Bisogna effettuare molti test e trovare la soluzione migliore», spiega Vespignani.

Prima di poter essere utilizzati per un divano cibernetico, i Roombots dovranno però essere dotati di un involucro morbido. Per il momento sono fatti di plastica dura. Il materiale per una fodera soffice e nello stesso tempo resistente e in grado di non limitare la capacità di movimento dei moduli non è ancora stata trovato.

Biomimetica

Dall’inizio del secolo, si è assistito allo sviluppo di un nuovo settore di ricerca, la cosiddetta Soft Robotics, che si prefigge di creare robot più flessibili, più adattabili e non pericolosi per l’uomo. Gli scienziati prendono spunto soprattutto dagli esseri viventi.

«Gli uomini e gli animali hanno un corpo duttile. Il 90% circa del corpo è flessibile. Le capacità di adattamento degli esseri viventi sono dovute anche a questa caratteristica», spiega Fumiya Iida, responsabile del Bio-inspired Robotics Labs presso il Politecnico federale di Zurigo (ETHZ).

La Soft Robotics si trova per ora ancora allo stato embrionale. «Con l’attuale tecnologia, non si possono sviluppare robot morbidi. Dobbiamo inventare tutto: materiali, sensori, motori…», sottolinea il professore assistente giapponese. Per questa ragione, allo sviluppo di questi nuovi automi non partecipano solo esperti di robotica, ma anche chimici, biologi o specialisti di materiali.

Muscoli artificiali

Tra di essi vi è Jun Shintake, dottorando al laboratorio di sistemi intelligenti del Politecnico federale di Losanna (EPFL). Assieme alla sua équipe, sta lavorando allo sviluppo di un attivatore dielettrico elastomero, una sorta di muscolo artificiale.

Ciò che sembra così complicato, a prima vista appare invece piuttosto insignificante: un pezzo di pellicola di plastica morbido, elastico e trasparente delle dimensioni di un pollice umano. Il foglio è attraversato da una striscia nera composta di nanoparticelle, che conferiscono caratteristiche molto particolari. Inviando degli impulsi elettrici, il film è in grado di piegarsi o allungarsi.

Con due o più strisce simili è possibile costruire una mano robotica soffice, capace di afferrare dolcemente degli oggetti, senza danneggiarli. «Trattandosi di qualcosa di completamente nuovo, ancora non sappiamo quali saranno le sue future applicazioni», spiega Shintake. Tuttavia, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata ad esempio nel settore aerospaziale o nel ramo delle protesi mediche.

Per i ricercatori, la sfida non è solo sviluppare nuovi materiali e componenti. Calcolare in anticipo i movimenti e dirigere un robot rigido è relativamente facile se si conosce con esattezza la sua grandezza e gli angoli delle giunture. Per i robot con una struttura morbida, magari addirittura estensibile, è invece molto più difficile.

Anche gli sviluppatori dei robot modulari, chiamati anche Roombots, sono confrontati con questi problemi. Il robot del laboratorio di biorobotica dell’EPFL non ha un corpo predefinito, ma è composto di quattro piccoli moduli, che si possono combinare a proprio piacimento. «Il nostro sogno è di costruire un robot che da sedia possa ad esempio trasformarsi in divano», afferma Massimo Vespignani, che collabora al progetto.

Una simulazione di roombot

EPFL Biorob Lab

Tentacoli intelligenti

Molti organismi viventi hanno un corpo estremamente molle. Tuttavia non hanno nessuna difficoltà a controllarlo e a muoversi con grande destrezza, come ad esempio il polpo. Il progetto di ricerca dell’Unione Europea «Octopus IP» ha per obiettivo di studiare meglio questo invertebrato. Per raggiungere lo scopo, nei prossimi anni diverse équipe di scienziati intendono costruire un polpo-robot con le stesse capacità del modello naturale.

Kohei Nakajima, dell’ETHZ, ha recentemente portato a termine un sottoprogetto di questa ricerca più ampia. In un piccolo acquario, un tentacolo di silicone sguazza qua e là. Il tentacolo contiene numerosi sensori che permettono di misurare la posizione di ogni segmento. Grazie a questo tentacolo di silicone, Nakajima ha potuto mostrare che le ‘braccia’ del polipo hanno una certa intelligenza e racchiudono una sorta di memoria a corto termine.

«Nella dinamica del movimento dei corpi soffici vi sono molte informazioni. Possono essere estratte e utilizzate per controllare il corpo. Il polpo è in un certo senso un po’ come un cervello galleggiante senza guscio», spiega Nakajima.

Il sogno di Nakajima è di costruire un robot completamente deformabile, un po’ come il cyborg cattivo in metallo liquido di Terminator 2. Ma un robot simile non gli farebbe paura? Nakajima ride. «Sì, ma dovrebbe essere altrettanto malleabile del cattivo nel film». Tuttavia ci rassicura: costruirà un robot molto debole, per non spaventare nessuno.

Polo di ricerca nazionale

Lo Stato svizzero finanzia progetti nell’ambito della robotica tramite un Polo di ricerca nazionale (PRN) dedicato a questo settore.

Il PRN robotica sostiene diversi studi dell’EPFL, dell’ETHZ, dell’Università di Zurigo e dell’Istituto Dalle Molle di Studi sull’Intelligenza artificiale di Lugano. Il credito a disposizione è di 35 milioni di franchi per il periodo 2010-2014.

I progetti si focalizzano su cinque aspetti: 

• Mobilità e sensori biomimetici (ricerche che si ispirano dai processi biologici e biomeccanici della natura)
• Interazione e manipolazione (comunicazione tra robot e esseri umani)
• Protesi robotiche (per facilitare il movimento dell’uomo)
• Robotica distribuita (robot modulari)
• Robot per la vita quotidiana

(traduzione di Daniele Mariani)